Teorii privind natura luminii

1. Primele teorii

Potrivit celor mai vechi traditii, lumina este o substanta a carei forma originara o constituie focul. Potrivit scolii din Milet (sec. al VI - lea i.e.n) si lui Heraclit, lumina, focul este substanta unica, generatoare a tuturor substantelor. In alte teorii focul este una din substantele primordiale (elemente) care prin combinare formeaza toate substantele si determina culoarea obiectelor.

Aristotel considera focul ca fiind lumina in stare pura, aerul fiind un foc dilatat, impurificat si cu alte elemente.

La Democrit apare prima data ideea corpusculilor (atomilor) de lumina.

2. Teorii corpusculare

Ipoteza naturii corpusculare a luminii a aparut in India antica, fiind favorizata de teoriile materialiste anterioare brahmanismului. In aceasta conceptie, o proprietate fundamentala a atomilor este culoarea.

Teoria lui Democrit era simpla: lumina este alcatuita din niste corpusculi rotunzi, indivizibili, lipsiti de orice proprietate sensibila. Ipoteza permitea tot felul de interpretari.

Platon considera ca vederea rezulta din intalnirea unei "raze" pornite de la ochi cu particulele emise de diferitele corpuri. Raza sau "focul vizual" este alcatuita din particule de diferite dimensiuni.

Epicur emite o alta ipoteza: corpurile emit in permanenta corpusculi mici si rapizi care strabat aerul pastrand forma corpului din care provin. Acestea sunt "simulacrele" care produc imaginea atunci cand intalnesc ochiul.

Teoriile corpusculare cunosc o evolutie modesta pana in secolul al XVI - lea.

In secolul al XVII - lea incepe sa se raspandeasca ideea ca lumina are o natura nemateriala. Lumina este un foc dar nu este un element. Incep sa apara teorii cinetice: lumina este o forma de propagare a miscarii intr-un      mediu neprecizat.

Un progres important se realizeaza cand se presupune ca lumina poate fi asemanata cu sunetul (Galileo Galilei, Leonardo da Vinci) fara insa sa se emita vreo ipoteza transanta privind natura miscarii.

O teorie mai consistenta este formulata de catre Descartes. El presupune existenta unui mediu format din mici sfere alcatuite dintr-o materie subtila, asezate compact. Corpurile luminoase emit corpusculi mici care comprima acest mediu. Fenomenele de reflexie si refractie sunt explicate ca un fiind cazuri particulare ale ciocnirilor dintre corpusculi. Astfel, Descartes demonstreaza legile reflexiei si refractiei. Se considera ca transmiterea miscarii prin acest mediu se face practic instantaneu.

Acestor ipoteze li s-au opus diferiti oameni de stiinta dintre care cel mai important a fost Fermat.

3. Teorii vibratorii

In 1665 Grimaldi observa difractia luminii, Hooke studiaza colorarea lamelor subtiri, este descoperita dubla refractie, in 1675 Rmer determina viteza de propagare a luminii, aratand ca ea este finita.

Malebranche, un discipol al lui Descartes, preia ideile acestuia      modificandu-le in unele privinte: presiunea se transmite prin mediul special variind in mod periodic (vibratii de presiune). Mediul material subtil al lui Descartes va deveni un mediu nematerial, viitorul eter. Caracterul "tremurator" al presiunii carteziene se transforma intr-o adevarata vibratie. Spre sfarsitul vietii Malebranche face o legatura intre culoarea luminii si frecventa vibratiilor eterului.

Teoria eterului a fost dezvoltata in paralel si de Grimaldi si Hooke.

Incet se cristalizeaza ideea ca lumina are un caracter ondulatoriu, vibratiile mediului fiind perpendiculare pe directia de propagare. Aceste idei vor fi reluate de catre Fresnel in teoriile sale ondulatorii.

O teorie asemanatoare cu a lui Hooke a fost elaborata de catre Huygens. "Lumina consta intr-o miscare a materiei care se afla intre noi si corpul luminos" (Tratat despre lumina - 1690).

Huygens perfectioneaza teoria eterului presupunand ca acesta este alcatuit din particule foarte dure si elastice. Toate punctele eterului pot deveni sediul unor oscilatii care se pot astfel propaga la distante foarte mari. Cu ajutorul teoriei ondulatorii explica legile reflexiei, refractiei etc. Desi a observat fenomenul de polarizare, el a considerat ca lumina este o unda longitudinala.

Aceste teorii au fost contemporane cu teoriile lui Newton confruntandu-se in permanenta.

4. Optica lui Newton

Newton a dorit sa explice fenomene, nu sa faca ipoteze nedemonstrabile. Primele observatii riguroase le-a facut asupra fenomenului de dispersie aratand ca culorile nu apar numai in interactiunea luminii cu corpurile ci coexista in permanenta in lumina alba. In 1672 considera lumina ca fiind o realitate substantiala alcatuita din corpusculi, fara insa sa poata preciza natura acestor corpusculi.

Newton a studiat si alte fenomene (interferenta - inelele lui Newton, difractia) care au fost explicate prin proprietati periodice ale corpusculilor: acestia au de-a lungul traiectoriei "accese" de reflexie si "accese" de transmitere usoara. In acest fel explica si colorarea lamelelor subtiri. Accesele sunt explicate prin o anumita asimetrie a corpusculilor de lumina. Difractia este o "inflexiune a luminii" datorata fie unei reflexii fie unei refractii sau unor forte de atractie de natura speciala.

Ulterior (1675) Newton se va indrepta spre teoria eterului: corpusculii de lumina induc anumite vibratii in eter. Astfel ca in final Newton va adopta o teorie mixta privind natura luminii. Newton a respins in permanenta, din diferite considerente, teoriile pur ondulatorii privind natura luminii. De exemplu, teoria ondulatorie nu putea explica in acea vreme propagarea rectilinie a luminii in medii omogene si izotrope.

Teoria lui Newton va fi acceptata oficial in scoli si universitati datorita faimei castigate de Newton prin studiile sale de mecanica.

Unul din marii sustinatori ai lui Newton a fost Voltaire.

5. Renasterea teoriei ondulatorii

In 1801 Thomas Young enunta principiul interferentei explicand corect si formarea inelelor lui Newton. In anul 1808 Malus explica fenomenul de polarizare tot prin caracterul ondulator al luminii dar interpretarile cele mai riguroase vor fi date de catre Fresnel in cadrul unei teorii ondulatorii ale luminii.

Se pare ca Fresnel a fost de la inceput adeptul teoriei ondulatorii. El a reusit sa dea interpretari stralucite diferitelor fenomene care deja au fost observate: interferenta, refractie, dubla refractie etc. Preluand ideile lui Huygens si completandu-le cu principiul suprapunerii undelor, Fresnel a reusit sa demonstreze propagarea rectilinie a luminii si in cadrul teoriei ondulatorii. Fresnel reia de asemenea ideea ca lumina este o unda transversala explicand fenomenul de polarizare.

Problema nerezolvata a fost aceea a naturii luminii. Desi a fost foarte aproape, Fresnel nu a facut nici o legatura cu fenomenele electromagnetice.

6. Teoria electromagnetica a luminii

In secolul al XIX-lea principalele legi ale electricitatii si magnetismului erau deja cunoscute.

J. C. Maxwell considera ca fenomenele electromagnetice se produc intr-un mediu special numit eter electromagnetic. Meritul sau consta in aceea ca a stabilit o legatura intre eterul electromagnetic si eterul optic. Determinand viteza de propagare a unei perturbatii electromagnetice a constatat ca aceasta coincide cu viteza luminii concluzia fiind ca lumina este o unda electromagnetica.

H. Hertz produce in 1885 unde electromagnetice cu lungimea de unda de 1 m. Aceste unde prezentau fenomenele binecunoscute de reflexie si refractie la fel ca in cazul luminii. Astfel a ramas ca definitiva conceptia ca lumina este o unda electromagnetica.

Aceasta legatura cu electricitatea contine insa germenele unei noi revolutii: sarcina electrica nu este continua, este discreta, corpusculara.

Referitor la problema eterului Lorentz a demonstrat ca eterul este imobil si ca nu poate fi pus in evidenta prin experimente fizice!!

7. Teoria cuantica a luminii

Inca in 1887 H. Hertz a observat efectul fotoelectric: metalele supuse iluminarii emit electroni. Acest fenomen nu a putut fi explicat de teoria electromagnetica a luminii.

In 1900 M. Planck a demonstrat ca energia radianta este emisa in portii bine determinate numite cuante. Preluand aceasta idee Einstein a explicat efectul fotoelectric evidentiind contradictia dintre unda electromagnetica ca fenomen continuu si cuantele de lumina, fotonii, ca particule individualizate.

Un alt fenomen care a impus folosirea notiunii de cuanta a fost efectul Compton, descoperit in 1922 si care arata ca fotonii au nu numai energie ci si impuls.

Pentru a intelege mai bine conceptiile actuale privind natura luminii trebuie insa sa discutam, in viitor, si aspectele legate de proprietatile ondulatorii ale particulelor de substanta.